以云计算为基础的智能交通信号灯控制系统设计与实现探讨

盐城师范学院信息工程学院 卢东祥

以云计算为基础的智能交通信号灯控制系统设计与实现探讨

盐城师范学院信息工程学院 卢东祥

控制好公路交通信号灯是确保交通快速、安全及有序运行的首要前提、重要环节与基础保障，但基于当前普遍采用的交通信号灯控制系统而言，以单一的固定时序控制居多，往往无法结合现实需要与交通实况进行控制与调节。对此，本文首先简要剖析了交通灯控制的基本需求，基于云计算，探讨了交通信号灯控制系统的设计思路与实现路径，即运用地感线圈对车流量进行检测，通过GPRS实现交通量数据的实时上传，利用云计算机、STM32F103芯片等技术，实现交通流量与流向的实时反馈，另对信号灯配时即时调整，最终达到智能控制交通信号灯的目的。

云计算；智能交通信号灯；控制系统；设计；实现

伴随社会经济的持续发展，城市交通在此大背景下同样呈现出快速发展势头。位于各条道路交叉口处的交通信号灯是管理与控制城市道路的基本形式与重要手段，需运用最佳控制方法，实现道路网络架构中车辆行驶通畅度的提升及通行时间的减少。但针对当前的交通灯控制系统而言，较多采用的是定时控制方式，无法依据车流量变化自动完成红绿灯时间的调节，这样势必会出现诸如交通堵塞、车辆延迟等状况。所以，依据道路交叉口处的车流量，对红绿灯时间加以控制，实现交通资源的合理、高效分配，规避或减少可能出现的交通拥堵，提升道路使用效率。

1.交通灯控制需求分析

可编程序控制器（PLC）是一种基于微电脑技术的综合自动控制装置，现今，已在能源、冶金、机械制造及化工等行业得到成功应用。本文依据城市交通控制的实际需求，深入剖析了基于PLC的两种控制方式，即急车强通与正常时序，利用PLC与传感器，智能判别与处理交通异常状况。

1.1 正常时序的控制

系统的运转由一启动开关控制，若开关启动，此时的系统便开始运作；若断开启动开关，信号灯便处于熄灭状态。当系统处于工作状态时，南北方向的红灯先亮，与此同时，东西方向亮绿灯。南北方向的红灯持续亮25s，东西方向绿灯持续亮20s，到20s时，东西方向的绿灯便开始闪烁，绿灯亮0.5s，熄0.5s，闪烁周期为2s，当绿灯的闪烁时间达到3s后，便熄灭，此时东西方向的黄灯便开始亮，持续2s，待2s时，东西方向的黄灯熄灭，同时红灯亮，在此同时，南北方向的绿灯亮。当东西方向的红灯持续亮30s，南北方向的绿灯持续亮25s，且到25s时，东西方向的红灯便连续闪亮3s，然后熄灭，南北方向的黄灯亮，且持续2s，2s时，南北方向的黄灯熄灭，同时红灯亮，而东西方向的红灯则熄灭，而绿灯亮，开始下一周期的动作运转。各周期持续循环。

1.2 急车强通的控制

急车强通开关控制着急车强通信号。若没有急车时，则信号灯便会依据正常时序来进行控制，如果有急车时，接通急车强通开关，无论原先信号灯处于怎样的状态，均以强制性方式使急车驶来方向相对的信号灯呈绿灯，以便急车通行，直到急车通行完毕后方可恢复正常。当急车通过后，断开急车强通开关，此时的信号灯状态便会发生改变，即转变为急车来车方向的绿灯闪亮3次，然后依照正常时序来控制。针对急车强通信号来讲，如果处于同一时间，则仅能对一路方向的急车予以响应，如果急车分别来自两个方向且先后驶来，那么会依据先后次序逐一响应；如果急车来自两个方向且同时驶来，那么依据南北或东西次序逐一响应。

1.3 交通异常判别及处理系统分析

在道路交叉口处，经常会发生一种交通异常情况，即交通灯控制信号处于正常运转状态，但现实交通状态却正好与之相反。比如在实际生活的道路交通中，会遇到南北方向上车辆较少，但东西方向却有着过多车辆，而造成堵塞的情况。此时，如若仍为正常的信号灯时序，那么会加重交通拥挤，造成四方向均无法正常通行。对于此部分的处理方式而言，即依据外界实况，由传感器来控制信号灯。若某一方向路段的传感器感知到南北（或者东西）方向的车辆在50s内未移动，而在东西（或者南北）方向却有着正常的交通状态，此时PLC将会以自动的方式启动处理交通异常状况的方式，对南北（或东西）方向上绿灯点亮时间进行强制性延长，使其到50s，直到此方向上的传感器不返对应信号。

2.智能交通信号灯控制系统概述

基于上述论点，文章以云计算为基础，探讨更为智能化的交通信号灯控制系统，该系统由三部分构成，即云计算系统、GPRS数据接收与传输终端、车流量检测等现场设备。利用信号控制终端、车流量检测等现场设备，能够实时、准确采集现场交通信息；通过GPRS实现数据传输与接收，还能上传车流量信息以及下发控制命令；而通过对STM32F103芯片、云计算技术等的运用，能够系统化、实时性处理各道路车流量信息，最终达到控制城市交通监控系统的目的，使其更加协调与统一。

3.智能交通信号灯控制系统设计与实现

3.1 车流量检测及数据采集

U1表示输入信号的有效值；C2表示滤波电容，即锁相环电路的捕获带宽。

图1 LM567应用电路图

图2 交通流量发射终端设计电路流程图

若交叉口处于空闲状态（无车辆通过），此时系统的耦合电路振荡频率会保持不变，若车辆经过地感线圈，线圈会感知到车体重量及车型、大小等，另依据这些内容的变化，使耦合电路振荡频率发生对应性变化与波动。由于LM567需要捕获一定的宽带值，因此，当路口没有车辆通过时，输入信号频率尽管会有比较小的波动，但针对此时的耦合电路而言，其振荡频率的浮动却仍保持通频状态，8脚输出低电平，LM56锁定；若路口通过有车辆时，那么此时的耦合电路振荡频率的便会使比较剧烈的，因振荡频率并没有处于通频带内，所以，8脚便会有高电平输出。

3.2 以GPRS为基础的接收终端与数据传输设计

（1）交通流量发射终端。在控制交通信号方面，选用的是GTM900通讯模块以及STC80C52单片机为基础的交通流量的发射。利用单片机的外部中断口INT1，来系统化检测车流量脉冲信号，然后对统计时段相应车流量进行检测，而利用GTM900模块，可以向数据接收终端发送统计结果。另外，对于GTM900通讯模块与STC80C52单片机而言，二者间采用的是串口的数据传输方式；没间隔一段时间，单片机便会向各个区域交通中心发送数据，这些交通中心的信号接收终端便会完成这些数据的采集、计算与分析，最后想控制交通灯的终端传送最终的数据处理结果。此外，每次数据发送都需要经过RING信号控制信号灯，而此信号灯每当接收一次信号便会闪烁一次。针对整个交通流量发射终端来讲，选用的是看门狗软件，以此来避免诸如环境等因素所导致的程序跑飞。（2）交通信号控制与接收终端。以STM32F103芯片为基础，实现交通信号接收与控制的智能化嵌入式操作系统。当终端利用GTM900完成控制中心所发信号的接收工作后，便会将信号传送至STM32F103芯片，然后对数据进行分析与解释，利用各种I/O接口（东西-YELLOW、南北-RED、东西-GREEN等），实时控制道路交叉口的交通灯。可依据各路段的实际车流量，对红、绿灯闪亮时间给予延长，以此来有效缓解所面临的交通压力。由于各路口交通信号接收机均配置有SIM卡，因此，能够对各路口进行实时控制。而对于所采用的交通信号接收机而言，选用的是华为公司所生产的GTM900通讯模块，此模块通过GPRS通信技术，将检测并收集到的车流量信息，实施传输至监控中心，另外，还运用MAX813L看门狗软件，对STM32F103的工作状态进行监控。若STM32F103出现工作异常，则看门狗电路于特定时段无法刷新复位，便能输出信号进行强制复位，重启工作，以此来确保终端始终处于正常工作状态。在整个系统当中，MAX813L电路能够实现瞬时掉电，因此，当程序运行出现“死机”状况时，可以自动复位或手动复位，还能对电源故障进行实时性监控，所得数据还可予以保存。

3.3 基于云计算

针对城市数据交通应用而言，其主要有如下特点：稳定性要求高、数据共享需求高、应用负载脉动大、使用性要求高、信息实时处理要求性高以及数据量大等。本系统以云计算技术为基础，通过采集一个城市各个区域的交通信息，然后将其向终端传送，把所采集的信息以上传的方式输送至各个区域的服务中心，最后收集、处理并系统化分析全部区域的信息，传送至各个区域的交通中心，以此达到实时控制各路口交通信号灯时间的目的。利用虚拟性、先进性的云计算技术，能够实现诸如服务器、存储器、网络资源等硬件资源的系统化整合，然后依据实际需要，对系统资源开展全面、深层的优化配置，以此达到提升资源综合利用率的效果，除此之外，通过上述操作，还能实现灵活化应用，最大程度降低运维成本与总能耗。虚拟化的云计算技术主要有如下特点：通过整合交通信息资源，各种软硬件数据可以较好的满足ITS当中各个应用系统的运转需求，而且满足内容具有较强的针对性，除了能够较为全面的满足交通行业的增值服务以及交通信息的发布方面的需求外，还能满足交通仿真的模拟、基础设施的建设等领域的需求，能为交通指挥系统制定决策与方案，提供全面数据支撑，还能切实保障系统资源平台的全面开发，以最快的速度反应系统可能出现的突发事件，有着不错的扩展功能与应变能力，能够较好的适用于交通行业的未来发展需要。

4.结语

综上，该系统融合有系统工程技术、通信技术及信息技术等先进技术，通过对道路交通系统开展系统化改造，从中构建起一种集信息化、智能化于一身的新型交通系统，能够在不额外增加道路基础设施的前提下，大幅改善现有交通状况，因此，有助于交通拥堵状况的减轻，使交通资源得到更佳合理的分配，提升道路的综合利用率。

[1]边婷婷．智能交通信号控制系统的研究与实现[D]．沈阳航空工业学院,沈阳航空航天大学,2010．

[2]尹中宁．智能交通信号控制及系统的设计与实现[D]．电子科技大学,2008．

[3]张明长,刘福平．基于Atmega16的智能交通信号控制系统设计[J]．北京印刷学院学报,2011,19(4):37-41．

[4]徐鑫,杨利亚,周磊,等．单片机智能交通灯控制系统的设计[J]．电子世界,2013(23):23-24．